Středa, Listopad 22

Prof. Friedrich Wagner: Fúze je naše pojištění pro budoucnost

Profesor Wagner v IPP Garching, obklopen mladou generací "fúzařů" Zdroj: iter.org
Profesor Wagner v IPP Garching, obklopen mladou generací „fúzařů“ Zdroj: iter.org

Přinášíme vám rozhovor s profesorem Friedrichem Wagnerem, významným představitelem výzkumu termojaderné fúze, odborníkem na energetiku a někdejším předsedou Evropské fyzikální společnosti. Profesor Wagner přednesl 6. března na FJFI ČVUT závěry analýzy budoucího vývoje německé energetiky pod názvem „Features of future electricity supply“. Z přednášky jasně vyplynulo, že i při nejlepší vůli nemůže Německo se současnou spotřebou energie přejít na obnovitelné zdroje jako dominantní zdroj elektrické energie. Výkyvy v produkci těchto zdrojů spolu s ročními i denními výkyvy ve spotřebě kladou na skladování elektrické energie takové nároky, které nemohou být v horizontu několika desetiletí splněny. Pokud Německo hodlá opravdu upustit od jaderného štěpení a zároveň se chce vyhnout zvyšování podílu fosilních paliv, bude muset věnovat velké úsilí také výzkumu jaderné fúze.

 

Proč jste se stal fyzikem a co Vás přivedlo k výzkumu fúze?

Měl jsem skvělého učitele fyziky. Učil nás několik posledních let před maturitou a přesvědčil mě a další tři mé spolužáky (ve třídě nás tenkrát bylo myslím 22), abychom začali studovat fyziku na vysoké škole. Hodiny fyziky s naším učitelem byly velmi atraktivní a zábavné. Takže k fyzice mě přivedl především on. Vystudoval jsem fyziku nízkých teplot, to znamená, že jsem se zabýval jevy, jako jsou supravodivost a supratekutost. V tomto oboru jsem vystudoval i doktorské studium. Potom jsem využil možnosti odjet do USA na post-doktorandský pobyt, to bylo v letech 1973-74, zrovna když řádila první energetická krize. Byla to hlavně ropná krize a USA zasáhla daleko více než Evropu. Když jsem se potom vrátil do Německa, řekl jsem si, že bych měl začít pracovat v energetickém výzkumu. Dostal jsem skvělou nabídku od Max Planck Society, začal jsem tedy pracovat v jejich institutu v Garchingu a od té doby se věnuji zejména energetice a fúzi.

Proslavil jste se především objevem H-modu. Jaké byla tenkrát v řídící místnosti ASDEXu atmosféra, jaké byly vaše první domněnky o tom, co se v tokamaku stalo. Nezvolal někdo třeba: „To musí být zázrak?“

H-mod, jak jistě víte, je režim zvýšeného udržení. Takže bych to přirovnal k tomu, když doma zatáhnete žaluzie a zavřete okna – energie nemůže dále proudit ven ani dovnitř, v domě udržujete stejné hodnoty fyzikálních parametrů. Tento režim je velmi důležitý pro to, abychom byli schopni fúzi uskutečnit, i ITER by měl běžet v H-modu. Nevíme, jestli se nám tam podaří dosáhnout H-modu, každopádně vše je připraveno na to, že ITER bude v H-modu skutečně operovat. H-mod jsme objevili v únoru 1982 na tokamaku ASDEX v Garchingu, tenkrát jsem tam vedl tým, který měl na starosti systémy pro dodatečný ohřev plazmatu, především svazky částic.  Správně bychom měli říct, že jsme H-mod jako první přímo zaznamenali a byli jsme první, kdo rozpoznal, že je velmi důležitý. Když jsme uviděli, že se stalo něco podivného, většina starších vědců si myslela, že je to něco, co už znají, protože špatně interpretovali dynamiku tohoto plazmatického výboje. Ale já jsem cítil, že tenhle průběh výboje byl velmi nejasný a znečištěný, však také H-mod nečistoty velmi ovlivňuje. Byl jsem mladý a relativně nový v tomto oboru, takže celá ta věc mi připadala asi ještě mnohem divnější než ostatním. Velmi mě zajímalo, co se tam stalo, určitě jsem totiž nikdy předtím nic podobného neviděl.  Během následujícího víkendu jsem průběh výboje analyzoval a nakonec nám bylo jasné – Ano, objevili jsme nový operační režim s velmi slibnými vlastnostmi.

Takže jste si data dobrovolně vzal domů na víkend, abyste je analyzoval, nebo jste dostal „domácí úkol“?

Ne, začal jsem je analyzovat hned, abych zjistil, zda jsem schopný z nich odvodit, jestli došlo ke zhoršení udržení. Zkombinoval jsem všechny signály, které naznačovaly tento mod, a protože to byly velmi nezávislé signály, nebylo možné udělat chybu. Když jsme tohle téma poprvé otevřeli na mezinárodním poli na červnové letní škole ve Varenně, ostatní vědci nevěřili, že postupujeme správně a mysleli si, že jsme udělali chybu při analýze stop tohoto režimu na ASDEXu…  Na podzim jsem naše výsledky znovu prezentoval na konferenci Mezinárodní agentury pro atomovou energii. Bylo to na velmi dlouhé večerní debatě. Členové fúzní komunity připravili večerní diskuzi a já jsem musel obhajovat, co jsme pozorovali. Na konci pogratulovali našemu týmu a prohlásili: „Ano, teď už jste nás přesvědčili, že tohle je opravdu něco nového a zajímavého.“ A pak se samozřejmě rozběhl závod, protože všichni chtěli, aby jejich zařízení pracovala v H-modu. Další experiment, na kterém se to povedlo, byl PDX v Princetonu a potom následoval DIII-D také v USA. Poté, což je nedůležitější, dosáhl tohoto režimu také dosud největší tokamak JET v Británii, jeho největší úspěch – produkce 16 MW fúzního výkonu – byl také dosažen v H-modu.

…A nedávno H-mod uskutečnili také čeští vědci na tokamaku Compass . (tisková zpráva)

Plazmatický výboj na modernizovaném tokamaku ASDEX, některé součásti ještě pamatují objev H-modu. Zdroj: alltheworldstokamaks
Plazmatický výboj na modernizovaném tokamaku ASDEX, některé součásti ještě pamatují objev H-modu. Zdroj: alltheworldstokamaks

Jaký vnímá německá veřejnost výzkum fúze, jaký vztah k němu mají politici nebo protijaderní aktivisté? Obávají se fúze stejně jako štěpení? Vždyť se jedná o jaderný výzkum.

Nemyslím si, že by z fúze byli vyděšení. Určitě také většina seriozních odpůrců jaderného štěpení ví, že musí rozlišovat mezi problémy štěpení (bezpečnost a jaderný odpad) a problémy fúze. Na druhé straně nyní opravdu najdete politiky přesvědčené o tom, že Německo nebude mít problém nahradit současné tepelné elektrárny pouze obnovitelnou energií a že víme jak přesně to provést. Politici prostě vždy vědí, co bude fungovat, ale my vědci zas tak „dobří“ nejsme. A proto samozřejmě držíme prapor fúzního výzkumu vztyčený. Fúzní výzkum je ale na jedné straně pod tlakem, na druhé straně by výzkum neměl být něčím, co je řízeno politiky. Věda a výzkum jsou velmi širokou oblastí lidského snažení a nikdy nevíte, co vám přinese zdánlivě neužitečný základní výzkum. Nejlepším příkladem je objev paprsků X Wilhelmem Roentgenem. Roentgen tento objev uskutečnil díky tomu, že pracoval ve fundamentálním výzkumu, který byl veden především na základě zvědavosti a touhy po poznání, ale najednou objevil nový druh záření a zjistil, že toto záření se dá použít k zobrazování kostí a vnitřních orgánů a jeho objev tak má ohromné množství aplikací v lékařství i jinde. Ale kdyby byla situace opačná – doktor, který se denně setkává se zlomeninami nohou, by dostal nápad, že objeví paprsky X – tak by to asi nefungovalo. Proto si myslím, že je přirozenější a úspěšnější začít se základním výzkumem, než identifikovat problém a hledat konkrétní řešení. Jsem velký fanoušek efektivity základního výzkumu. Fúze má v sobě prvky základního výzkumu, ale samozřejmě je to výzkum, jehož cíl je dobře známý.
Když se vrátíme k energetice a podíváme se, jaké zdroje energie máme do budoucna k dispozici, tak najdeme jen tři: obnovitelné zdroje, štěpení a fúzi. Víme, že obnovitelné zdroje nemohou pokrýt spotřebu všude a určitě to tak nebude fungovat v Německu, pokud spotřebu dramaticky nesnížíme a nezměníme náš způsob života k nižším nárokům na energii. Ale pokud bychom tohle udělali, ale ostatní státy ne, tak budeme mít velký ekonomický problém. Výzkum v energetice je vždy „výzkumem přežití“. Skutečně pokud nazveme biologii „zkoumáním života“, pak energetický výzkum je zkoumáním toho, jak přežít. Naše společnost je tvořena 7 miliardami lidí a brzy to bude 9 miliard. Všechny tyto lidské bytosti budou potřebovat obrovské množství energie. Pokud nevíme, co přesně se v budoucnosti stane, musíme si opatřit pojištění, abychom se dokázali vyrovnat s tím nejhorším možným případem. Právě teď a tady je výzkum takovým pojištěním pro celou společnost. Myslím si, že by měli vědci mít určitou volnost ve výběru takového výzkumu, který má velký potenciál z hlediska budoucích znalostí a fúze takový potenciál rozhodně má. Proto mě velmi těší přístup Číny, Koreje a Indie, které vkládají opravdu velké zdroje a snažení do výzkumu fúzní energie.

Zmínkou o východních zemích jste mi nahrál na otázku o vašem současném působení v Rusku. Jak se Vám tam pracuje a jaký je stav dnešní ruské vědy?

V Rusku nyní pracuji díky tomu, že jsem dostal nabídku podílet se na ruském systému financování, který je založen na tom, že vědecké zařízení zaměstná nějakého zahraničního experta. Já jsem s nabídkou souhlasil a tak jsme v Petrohradě grant dostali. Grant platí ruská vláda, tento program se jmenuje „Megagrant“. Získaná částka činí 150 milionů rublů na dva roky, což je myslím celkem slušná suma a ukazuje, že ruská vláda to s pomocí univerzitám myslí vážně. Dělat v Rusku fúzní výzkum je samozřejmě velmi zajímavé, protože tokamak vyvinuli právě zde, ale na druhou stranu každý musí přiznat, že Rusko oněch 20 let po politických změnách nevedlo moc dobře, pokud jde o tento druh výzkumu. Experimentální fúzní výzkum byl v sovětských dobách z mezinárodního hlediska na mnohem vyšší úrovni, než je teď. Většina zařízení používaných ještě dnes byla postavena už v těch dobách, takže nyní je nutné vzdělávat studenty v tomto oboru, protože musí nastat nějaká generační obměna. Je také nutné postavit jedno nebo více nových fúzních zařízení. V našem institutu na  Petrohradské polytechnické univerzitě se snažíme vzdělávat mladé vědce, protože fúze, jako technologie budoucnosti, by určitě měla být zkoumána především mladými lidmi. Také se snažíme navrhnout nové zařízení pro náš institut.

A jaké jsou vaše další zájmy? Zajímáte se například o umění?

Ptáte se mě na to, protože víte, že mým koníčkem je malování? Potom Vám musím opět říct, že za to může skvělý učitel výtvarné výchovy. Měli jsme vynikajícího učitele fyziky a vynikajícího učitele umění, takže mám i spolužáky, kteří pokračují v malování obrazů nebo vytváření plastik, jeden z nich dokonce profesionálně. Příští rok budeme mít sraz naší třídy, kde mimo jiné proběhne naše společná výstava. Takže to byl opět skvělý učitel a musím říct, že kvalita učitele hraje opravdu velkou roli, takže jsem šťastný, že jsme tenkrát měli tak výborné kantory.  Maloval jsem tedy již od svého dětství, teď se můj čas na umění samozřejmě odvíjí od mého zaměstnání. Měl jsem méně intenzivní období, ale pořád v malování obrazů pokračuji a mám pravidelné výstavy, jednu jsem měl v prosinci a další bude následovat příští rok, jak jsem už zmínil. Nemaluji nic jako abstraktní představy fyzikálních objektů, jak by mnozí očekávali, ale inspiraci hledám především v přírodě. Fyzik zkoumá přírodu, ale zároveň ji miluje. Nejsou to jen Zelení a jiní ekologové, kdo opravdu má rád přírodu. Fyzici musí přírodu také milovat a starat se o ni, protože mají tak trochu jiný přístup k zázrakům, které se v přírodě dějí. Stačí, když se zamyslíme nad naším oborem – naším oborem je fúze, jakou hraje ve vesmíru roli? Díky fúzi se z vodíku formuje helium a z helia další prvky – beryllium, uhlík, kyslík a tak dále. A teď přijde ten zázrak – jak je to možné, že ze tří jader helia dostaneme uhlík? Tento velmi nepravděpodobný proces vyžaduje rezonanci mezi jádry, což napadlo už známého fyzika Freda Hoyla. Bez rezonance bychom tady neseděli, na zemi by nebyl žádný život. Takže jde o to co je to rezonance, ne jen proč v těchto reakcích působí. Jak se to stane, že rezonance umožní tomuto tříčlennému procesu proběhnout. Tohle je právě ten pohled na přírodu, který normální člověk nemá. Je to právě fyzikální vzdělání, které nás učí, milovat přírodu. Ale teď se mě asi zeptáte, tak co to má společného s tím uměním? A já odpovím, že na mých obrazech často najdete krajinu a podobné motivy, snažím se o jakýsi harmonický pohled na svět, harmonický i v tom fyzikálním slova smyslu.  Také prezidentka České fyzikální společnosti doktorka Alice Valkárová je malířkou a soustředí se především na přírodní scenérie.

Přímo zde na fakultě máme malý tokamak GOLEM, myslíte si, že je vhodné využívat na univerzitách podobná výzkumná zařízení? Kam by se mělo vzdělávání dále ubírat?

Myslím si, že fúzní výzkum je nyní v takovém stavu, že opravdu není nutné, aby měl každý doma malý tokamak. Nyní víme, jak fúzní reaktor postavit, perspektiva výzkumu se dost změnila. Je ale nutné vzdělávat mladé vědce, takže potřebujeme kvalitní národní výzkumné programy, které zapojí také univerzity. Ti co se teď podílejí na financování ITERu – EU včetně České republiky, Japonsko, Čína, Rusko atd., budou v důsledku těžit z know-how, které na ITERu vznikne, tyhle poznatky se potom prosadí v průmyslu a energetice jednotlivých zemí, mohou být „absorbovány“ k ekonomickému užitku jednotlivých národů. A právě proto je nutné, aby ti, co ITER platí, měli dobrou domácí vědeckou základnu, což znamená atraktivní program a především schopné lidi. Proto potřebujeme vzdělávací program a národní výzkumné programy. V Německu je tento program na vysoké úrovni a velmi dobře probíhá i ve Velké Británii, kde několik významných univerzit jako York nebo Warwick, spolupracuje v rámci národního výzkumného programu v oblasti fúze. Myslím si, že Česká republika uvažuje stejně a GOLEM je na pravém místě a dobře slouží svému účelu.

 

Co je to H-mod?

Když je magneticky udržované plazma silně ohříváno a dosáhne se určitého prahu ve výkonu ohřevu, plazma spontánně přejde z režimu nízkého udržení (Low confinement – L-mode), do režimu vysokého udržení (High confinement – H-mode). V H-modu značně vzroste doba udržení energie plazmatu, obvykle na dvojnásobek původní, nebo dokonce i více. Doba udržení spolu s hustotou plazmatu vystupuje v tzv. Lawsonově kritériu, jehož dosažením je podmíněno uskutečnění řízené termojaderné fúze. Fúzní zařízení s magnetickým udržením se obvykle snaží dosáhnout splnění Lawsonova kritéria právě pomocí zvýšení doby udržení, zatímco zařízení s inerciálním udržením – laserové systémy pro stlačení a zažehnutí palivové peletky, pinče atd. – jsou založeny především na velkých hustotách plazmatu. Fyzikální podstata H-modu není doposud úplně přesně popsána, ale souvisí především s potlačením turbulencí na okraji plazmatu.

Profesor Friedrich Wagner se narodil v roce 1943, PhD získal v oboru „Fyzika nízkých teplot“ na Technické univerzitě v Mnichově, poté absolvoval stáž v USA. V roce 1975 začal pracovat v Institutu Maxe Plancka v Garchingu, kde od roku 1986 do roku 1988 vedl experiment ASDEX. Profesor Wagner přednášel na univerzitě v Heidlbergu, je čestným profesorem Technické univerzity Mnichov. V letech 1989-1993 vedl také jiné fúzní zařízení – stelarátor Wendelstein W-7AS. Profesor také zastával řadu vedoucích funkcí v Evropské fyzikální společnosti, v letech 2007-2009 byl dokonce jejím prezidentem. Během svého vedení založil v rámci společnosti skupinu „Energy working group“, která se významně podílí na koordinaci energetického výzkumu v Evropě. Profesor Friedrich Wagner je od roku 2008 oficiálně v důchodu, ale to mu nebrání stále se podílet na velkých fúzních experimentech a vzdělávání nové generace vědců.

2 Comments

  • Nevíte náhodou, jak to prozatím vypadá se zařízením W7-X, mělo by se jedna o stelarátor, informace, které se dají najít na internetu jsou asi dva roky staré.

    Mimochodem, jak se tato zařízení chladí? Četl jsem že se má právě W7-X provozovat až v půlhodinových pulsech, co se s takto uvolněnou energií (sice jí asi nebude nadbytek) dělá? Pouští se do prostředí, neo se nějak zužitkuje(vytápění, ohřev TUV)?

    • admin

      Dobrý den, Wendelstein 7-X by se měl dostavět během příštího roku a od roku 2015 by měl začít výzkum, v první fázi pouze na krátkých pulzech (10 s). Po rekonstrukci a instalaci nově vyvíjeného tepelného stínění by měl kolem roku 2019 být dosažen Vámi zmíněný „stacionární“ režim (30 minut při 10 MW tepelného výkonu). S tímto projektem to opravdu vypadalo špatně, ale naštěstí je v Evropě silná vůle rozpracované experimenty dotáhnou do konce, když už stály tolik peněz. V angličtině a němčině lze najít poměrně nové informace (docela obsáhlé povídání o jednotlivých součástech experimentu a tak trochu reklama jejich výrobců, aktuální informace o instalaci zařízení). Pokud jde o chlazení, tepelný výkon bude odváděn za pomoci speciálních kompozitních materiálů na bázi ulíku a mědi, případně jiných kovů a dále klasickým vodním chlazením. Supravodivé magnety pak budou mít samostatný heliový okruh. O využití tepelného výkonu konkrétně u W7X jsem zatím informace nenašel, ale nejlěpší by asi bylo částečně pokrýt vlastní spotřebu (proud v cívkách, ohřev pomocí mikrovln, neutrálních svazků), takové účinnosti, aby bylo možné produkovat skutečně více než se spotřebuje ale zařízení bohužel nedosáhne. (Toho nedosáhne ani ITER, i když už bude velmi blízko.)

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *